大家好我是修饼
这一期讲讲跟脑机接口有关的内容
脑机接口听起来充满科技感
似乎离日常的生活有一些遥远
但实际上
脑机接口的应用已经逐渐
开始渗透到日常生活当中
特别是一些疾病治疗的领域
比如人工耳蜗
外骨骼
治疗癫痫的脑电应用产品等等的
那脑机接口到底是什么东西呢
脑机接口按照字面意思
就是将大脑和
机器或者计算机连接起来
计算机采集大脑释放的脑电信号
再把这种信号翻译成机械指令
来支配机器的运作
同时机器完成指令以后
还需要给大脑予以反馈
我举一个外骨骼的例子
大家就能明白脑机接口的工作过程
外骨骼是脑机接口的典型代表
在2014年巴西世界杯的开幕式上
一名瘫痪的巴西青年
在外骨骼的帮助下
踢出了当届世界杯的第一球
这名青年在几年前因为车祸全身瘫痪
他无法感受到双腿的任何知觉
只能在轮椅上度过
在世界杯上他戴了一个头盔
这个头盔可以读取他的脑电波
他只需要在大脑
里面想象自己踢球的每个步骤
比如向前走
右转踢球等等的
想象时产生的脑电波被头盔采集
并传入到计算机上
计算机再把脑电波翻译成机械
外骨骼的动作
指令在机械骨骼的辅助下
这位巴西青年做出了踢球的动作
这个计算机
装在这位巴西青年背后的背包里
看起来非常沉
但实际上
重量由外骨骼自身的框架来承担
并不会给携带者造成太大的负担
背包里还有电池设备
可以让外骨骼运行几个小时
此外外骨骼是金属材质
上面没有细胞
它无法像
真正的人类骨骼那样去感受外界事物
如果不具备触感
那用它来抓握物品时就没有轻重
感受不到物体的硬度
很可能一把就把物品抓坏了
所以科学家在外骨骼上安装了
人造皮肤的传感器
用来感知各种触感
外骨骼接触到的触感
会以震动的方式传递到手臂神经
这种反馈让瘫痪者感觉是自己在行走
所以当这位巴西青年踢完球后
他兴奋地大喊到我感受到球了
研发这项技术的主导者
是巴西裔科学家
米格尔尼·尼科莱利斯
他是脑机接口的奠基者
这个外骨骼
隶属于他负责的重新行走项目
旨在让瘫痪的患者能够重新站起来
2014年巴西世界杯
是让脑机接口进入公众视野的元年
这项技术在当时有一些争议
因为踢球的时间太短了
只有2秒钟
很难说是巴西青年的意识
启动了机械外骨骼
不过呢这一举动让更多的人意识到
用大脑控制机器并非科幻小说的情节
而是可以贴近生活的技术
我们可以看到 大脑信号
将信号翻译成机器指令
机器完成任务时产生的反馈回路
是脑机接口最重要的三个过程
那什么是大脑信号呢
人类在做各种动作或者有情绪
变化的时候
都会释放出一系列的生理信号
包括脑电信号
心率血压
皮肤温度
呼吸的模式等等的
都能反映我们人体的变化
其中
脑电信号是脑机接口最重要的信息源
最早采集到脑电波的科学家
是德国医生汉斯·贝格尔
他当时发现
从人类头皮上
能采集到一些类似电波的信号
而这些信号似乎能反映人的精神状态
比如人在放松的时候
会释放频率为8到12赫兹的电波
叫α波
在精神集中激动或者是焦虑的时候
会释放频率在12.5到28赫兹的β波
大脑之所以会产生这些电波
是因为人脑里有将近900亿个神经元
大脑的一切活动
都伴随着神经元的放电现象
无论我们是在绘画
创作音乐还是在思考问题
都离不开神经元的群体劳作
所以只要我们解开神经元的活动密码
找到人类行为
和大脑中某个区域神经元
活动之间的对应行为
就能解析大脑
就能将脑电信号翻译成行为指令
那理清了脑电信号是什么
那科学家是如何采集信号的呢
现在一般有两个方式
一种是非侵入式
一种是侵入式
非侵入式
就像上面这个例子当中的巴西青年
所戴的头盔那样
只需要戴在头上就能对大脑进行记录
优点是非常方便
但缺点是由于
颅骨对大脑信号有削弱作用
采集到的信号强度和分辨率并不高
侵入式呢
是需要在佩戴者身上做一个开颅手术
直接把电极植入到大脑皮层
侵入式的优点
是在获取到的信号强度和精度方面
都远超非侵入式
缺点是需要做开颅手术
仍然存在手术风险
另外
入侵大脑的异物还可能造成排异反应
或者是疤痕增生等风险
还需要面临社会伦理方面的压力
一般来说
植入大脑的电极长得像针一样
它们按照特定方式排布在金属片上
一次可以同时采集几十个
或者几百个神经元的信号
听起来才几十几百个
似乎很少
但实际上
从大脑采集十几个神经元的数量
到上百个神经元规模的数量
已经意味着技术的进步了
大脑的神经元太多了
我们没有办法记录大脑皮层中
所有神经元的活动
但是可以通过较少神经元的抽样
来进行样本跟踪
然后找到神经元
和行为之间的对应关系
只要找到这种对应关系
就能让计算机学会将神经元活动
翻译成行为
当它再次识别到类似的神经信号时
就能给电子设备发射指令了
从而搭建起人脑意识
和电子设备之间的桥梁
脑机接口最大的应用场景
是在泛健康领域
像失眠症
瘫痪 帕金森
疼痛等疾病
都在试图寻找脑机接口的手段
来缓解病情
有一个治疗癫痫的系统叫RNS
是由美国公司NeuroPace推出的
可用于癫痫的治疗
这个系统包含一个可以植入
大脑的小型
神经刺激器
一个远程监控器和一个脑电波记录仪
医生通过手术
把神经刺激器和脑电波记录仪
植入到患者大脑当中
对应癫痫发作的部位
这个系统可以持续地检测脑电波
如果发现癫痫发作前的脑电信号
神经刺激器会立马释放电刺激
来干扰大脑
从而终止癫痫的发作
同时这个设备可以通过无线网络连接
实时上传病人的数据
医生可以登录后台系统
掌握病人的情况
这个设备在2013年被FDA批准上市
已经在投入使用了
还有一家美国医疗器械公司叫Wicab
它们推出了一个脑机接口的产品
叫Brainport
是一个让盲人能够看到世界的小仪器
这个仪器有一个电极芯片
盲人把芯片含在嘴里
并戴上一副可以采集图像的眼镜
眼镜会搜集颜色
大小形状等信号
同时转化为不同的电信号
传到含在嘴里的芯片上
芯片发出的脉冲波
不停地刺激盲人的舌头
让他们感受到图像内容
盲人在经过训练以后
舌头上的感觉皮层会侵占视觉皮层
变得越发地敏感
大脑会把舌头的刺激信号
转换为图像信号
使得他们可以通过舌头来看清世界
除了医疗设备
脑机接口在教育培训
家居等方面都有涉及
比如2009年
NeuroSky公司推出了一款游戏意念球场
这款游戏加入了脑电图传感器
玩家带上传感器以后
可以用意念来控制游戏界面
用注意力来推动小球的移动
也有公司在棒球帽里面植入电极
长途司机或矿工可以使用它来检测
疲劳情况
如果棒球帽发现
司机有疲劳驾驶的迹象
就会发出警告提醒司机休息
从而降低事故概率
脑机接口是一门
很有想象空间的新技术
期待未来它能更多地应用到各个领域
好啦 这期节目就讲到这里
既然都听到结尾了 希望大家点赞收藏
谢谢啦我们下期再见